蓝牙mesh网络基础
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1
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
目录
1.0 介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.0 介绍
backto contents
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
4
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
1.0 介绍
backto contents
2000年，蓝牙技术面世，用以替代线缆进行无线通 信。此后的十几年间，蓝牙得到了快速的发展，很快在无 线音频及计算机周边产品如无线鼠标，键盘等领域占据了 统治地位。
与以上情况相反的是，mesh拥有多对多的网络拓扑 类型。每一台设备都可以与网络中的其它设备进行通信 （我们会在第6章进行更深入的讨论）。设备间的通信以 消息的形式传递，一台设备可以将某一台设备发来的消息 中继到另一台设备，这样就可以扩展端到端的通信范围， 这个范围远超过一个单独设备蓝牙无线电所覆盖的范围。
3.0 蓝牙mesh基础 (续)
17. 中继节点
15
18. 低功耗节点与友节点
15
19. 代理节点
15
20. 节点配置
16
4.0 Mesh系统架构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1 概述
18
毕健
iHealth中国研发中心蓝牙高级工程师 邮箱：bi_jian@qq.com
译文版本：V1.0 完成时间：2017.11.11 备注 ：
蓝牙
蓝牙mesh基础
致开发者：
2017夏，蓝牙低功耗技术引入了一种新的网络拓扑类型 -- Mesh。mesh 的引入使得蓝牙在低功耗无线通信技术领域更具优势，在许多新兴领域 如智能家居，工业物联网，楼宇自动化等势必会得到更好的应用。
5
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
2.0 执掌生活
backto contents
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
6
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
2.0 执掌生活 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 智能建筑获得真正的智能
7
3.0 蓝牙mesh基础 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2010年，蓝牙低功耗技术（BLE）面世，推动蓝牙技 术向前迈进了重要一步 。其影响深远，主要体现在智能 手机，平板，以及医疗健康，智能家居，可穿戴产品等领 域。
基于网状拓扑类型的无线通信系统可以覆盖更大的范 围，使得通信距离变长，同时系统的鲁棒性得到加强。但 是他们仍然是一种小众技术，主要是因为与现有的大多数 计算机，智能手机等设备不兼容，因而没有得到大范围的 推广和应用。
9
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
backto contents
元素
有些节点由多个独立的部分组成，每一个部分都可 以进行单独的控制。在蓝牙mesh中，这些独立的部分称 为元素（element）。图3即为网络中的一个灯节点，它 有3个元素，每个LED灯泡有一个元素。每个节点至少拥 有一个元素，称为主元素（Primary Element）。节点中 的每个元素都有一个唯一确定的地址，称为单播地址 (unicast address)，这样每个元素都可以独立寻址。
为了将mesh技术应用到蓝牙中，120个蓝牙SIG成员公 司先后参与到这项工作中。与以往情况不同，此次规模之 大，涉及范围之广，充分表明了业界对蓝牙mesh技术标准 制定的迫切需求。
蓝牙mesh技术的添加代表了一种技术类型的变化，这 种变化如此巨大，我们甚至可以认为这对蓝牙技术标准来 说是一次整体模式的转变。
14
3.16 特性
14
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
Contributors
Martin Woolley
Author
Sarah Schmidt
Graphic Designer
2
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
图 2 - 一种具有消息中继功能的多对多网络拓扑类型
“开通配置”过程是每一台新设备都要经历的，在这 个过程中，新设备会获取一系列的密钥，同时告知“启动 配置设备”(provisioner device，通常是智能手机或者平板 电脑)有新设备加入到网络中。其中有一个密钥叫做网络 密钥，即NetKey。在后续章节我们会再对mesh的安全性进 行深入讨论。
设备和节点
mesh网络中的单台设备称做节点（node），网络外 的设备称为“未开通配置设备”（unprovisioned devices）。将某个“未开通配置设备”转化为网络节点的 过程称为“开通配置”（provisioning）。例如，你买了一 个带有mesh功能的蓝牙灯，你需要把它带回家并进行简 单的配置，从而将其加入到家中原有的mesh网络中，这 样你就可以通过家里的电灯开关与调光器对其进行控制 了。这一过程即为“开通配置”（provisioning）。
图 3 - 三个元素组成一个灯节点
消息
当某个节点需要获取其它节点的状态时，或需要以 某种方式控制其它节点，它会发送消息（message）。 如果某节点需要向其它节点汇报状态，它也会发送消 息。
在mesh网络中，所以通信都是以消息的形式传递 的。协议规范中定义了多种消息类型，每种消息类型都 有自己唯一的操作码。
8
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
3.0 蓝牙mesh基础
backto contents
概念及术语
要认识蓝牙mesh技术，需要读者了解一些新的技术 概念与术语，这些在之前蓝牙低功耗（BLE）的世界里是 没有的。本章我们将带你认识一些最基本的概念及术语。
现在你可以开始办公了，并且整个办公环境考虑到了个 人偏好，充分满足了你的需求。很显然这种这种系统是十分高 效的，那么它是如何实现的呢？
你们公司几个月前使用了蓝牙mesh技术，最开始安装在照 明系统上，随后添加到Occupancy sensor，环境传感器，无线 暖气控制系统，停车管理系统等网络中。这样，公司可以在 电力和热力系统上省上不少费用，而且工作环境更加人性 化，从而使员工的工作效率更高。整个系统的维护成本也 在下降，例如加入电灯开关不再需要布置昂贵且麻烦的电 线了。系统采集的数据可以供大楼管理人员分析，从而了 解这栋建筑，以及它所提供的服务和人们对这些服务做出 的反应，进而对整个系统进行优化。
我们可以控制某栋建筑提供的服务，与其进行无线交 互，使其行为更加自动化，而蓝牙mesh正使这一切更加 方便且低成本。你甚至会感到惊讶之前没有这些技术是怎 么生活的。
图 1 - 蓝牙mesh可以分布于办公室和停车处
（译者注： Occupancy sensor，一种室内运动检测 设备，检测到人体时会自动打开灯，温度调节装置及通 风系统。这种传感器多使用红外，超声，微波等技术， 主要用来节省能量，提供自动控制。）
1. 消息发布与传递
25
2. 多路径传递
25
3. 管理型网络泛洪
25
4. 协议栈中消息的传递
25
7.0 蓝牙Mesh — 正待勇士开拓的疆场 . . . . . . . . . . . . . . 27
7.1 参考资料
28
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
3
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
3.1 概念和术语
9
3.2 mesh 与 点 对 点
9
3.3 设备与节点
9
3.4 元素
10
3.5 消息
10
3.6 地址
10
3.7 发布/订阅
11
3.8 状态和属性
11
3.9 消息,状态及属性
12
3.10 状态转变
12
3.11 绑定状态
12
3.12 模型
13
3.13 通用性
13
3.14 情景
13
3.15 开通配置
Mesh网络中的每个节点都拥有至少一个NetKey，正 是这个NetKey让其成为相应网络的一员。节点的正常工作 需要满足许多条件，而NetKey则是最基本的第一步工作。 随后我们会对“开通配置”的过程展开深入的讨论，在此 不再赘述。
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
进入公司大楼后，相应的传感器注意到有人进入，并 从你身上的可穿戴设备如手表等识别到你。你乘坐电梯到 达二楼，像往常一样，你是第一个到达的。当电梯门打开 时，从电梯室到办公室及开水间的灯自动打开。咖啡在你 们公司是非常重要的，所以开水室的灯才会自动打开，其 它区域的灯关闭，从而节省能量。
你走进办公室，屋顶灯和台灯已经打开了，并且是你最喜 欢的亮度等级。你注意到办公室温度比其它区域温度略高， 这正是你之前设置的。你靠近办公电脑，此时电脑自动登 陆你的账户。
（译者注：蓝牙特别兴趣小组 The Bluetooth Special Interest Group (SIG)，是一个非盈利性组织，致力于蓝牙 技术标准的开发，和蓝牙技术应用及商标的授权。公司成 立于1998年，总部位于美国华盛顿。）
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
mesh vs 点对点
我们所见到的大多数BLE设备都是进行一对一的数据 通信的。这是一种点对点的网络拓扑类型，在蓝牙核心规 范中被称为“微微网”（piconet）。
假设一个智能手机与一个心率检测器建立了一个点对 点的连接，这样它们之间就可以传输数据了。蓝牙的一个 优点就是可以让设备建立多个连接，所以这台智能手机可 以再与另一个运动追踪设备建立连接。此时，手机可以同 另外两台设备进行通信，而这两台设备之间无法直接进行 沟通。
2.0 执掌生活
backto contents
智能建筑将获得真正的智能
想象一下，在一个天色昏暗的冬日的早晨，你驱车前 往公司。公司的安全系统识别了你的车，让你进入公司， 同时分配给你一个停车位。此时，你的停车位上的灯亮 起，指引你快速停到那个位置。之后，这个车位分配系统 将自动进行更新，显示该车位已使用。
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
7
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
3.0 蓝牙mesh基础
backto contents
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary
1. Mesh 网络安全特性具有强制性
21
2. Mesh 网络安全性基本原则
21
3. 关注点分离与mesh安全密钥
21
4. 节点移除，密钥刷新及垃圾桶攻击
22
5. 隐私
22
6. 重放攻击
23
6.0 蓝牙mesh在行动. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2 承载层
18
4.3 网络层
18ห้องสมุดไป่ตู้
4.4 底层传输层
19
4.5 上层传输层
19
4.6 接入层
19
4.7 基础模型
19
4.8 模型
19
5.0 安全性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
目录
1.0 介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.0 介绍
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© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
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Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
1.0 介绍
backto contents
2000年，蓝牙技术面世，用以替代线缆进行无线通 信。此后的十几年间，蓝牙得到了快速的发展，很快在无 线音频及计算机周边产品如无线鼠标，键盘等领域占据了 统治地位。
与以上情况相反的是，mesh拥有多对多的网络拓扑 类型。每一台设备都可以与网络中的其它设备进行通信 （我们会在第6章进行更深入的讨论）。设备间的通信以 消息的形式传递，一台设备可以将某一台设备发来的消息 中继到另一台设备，这样就可以扩展端到端的通信范围， 这个范围远超过一个单独设备蓝牙无线电所覆盖的范围。
3.0 蓝牙mesh基础 (续)
17. 中继节点
15
18. 低功耗节点与友节点
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19. 代理节点
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20. 节点配置
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4.0 Mesh系统架构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1 概述
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毕健
iHealth中国研发中心蓝牙高级工程师 邮箱：bi_jian@qq.com
译文版本：V1.0 完成时间：2017.11.11 备注 ：
蓝牙
蓝牙mesh基础
致开发者：
2017夏，蓝牙低功耗技术引入了一种新的网络拓扑类型 -- Mesh。mesh 的引入使得蓝牙在低功耗无线通信技术领域更具优势，在许多新兴领域 如智能家居，工业物联网，楼宇自动化等势必会得到更好的应用。
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Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
2.0 执掌生活
backto contents
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
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Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
2.0 执掌生活 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 智能建筑获得真正的智能
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2010年，蓝牙低功耗技术（BLE）面世，推动蓝牙技 术向前迈进了重要一步 。其影响深远，主要体现在智能 手机，平板，以及医疗健康，智能家居，可穿戴产品等领 域。
基于网状拓扑类型的无线通信系统可以覆盖更大的范 围，使得通信距离变长，同时系统的鲁棒性得到加强。但 是他们仍然是一种小众技术，主要是因为与现有的大多数 计算机，智能手机等设备不兼容，因而没有得到大范围的 推广和应用。
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Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
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元素
有些节点由多个独立的部分组成，每一个部分都可 以进行单独的控制。在蓝牙mesh中，这些独立的部分称 为元素（element）。图3即为网络中的一个灯节点，它 有3个元素，每个LED灯泡有一个元素。每个节点至少拥 有一个元素，称为主元素（Primary Element）。节点中 的每个元素都有一个唯一确定的地址，称为单播地址 (unicast address)，这样每个元素都可以独立寻址。
为了将mesh技术应用到蓝牙中，120个蓝牙SIG成员公 司先后参与到这项工作中。与以往情况不同，此次规模之 大，涉及范围之广，充分表明了业界对蓝牙mesh技术标准 制定的迫切需求。
蓝牙mesh技术的添加代表了一种技术类型的变化，这 种变化如此巨大，我们甚至可以认为这对蓝牙技术标准来 说是一次整体模式的转变。
14
3.16 特性
14
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
Contributors
Martin Woolley
Author
Sarah Schmidt
Graphic Designer
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Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
图 2 - 一种具有消息中继功能的多对多网络拓扑类型
“开通配置”过程是每一台新设备都要经历的，在这 个过程中，新设备会获取一系列的密钥，同时告知“启动 配置设备”(provisioner device，通常是智能手机或者平板 电脑)有新设备加入到网络中。其中有一个密钥叫做网络 密钥，即NetKey。在后续章节我们会再对mesh的安全性进 行深入讨论。
设备和节点
mesh网络中的单台设备称做节点（node），网络外 的设备称为“未开通配置设备”（unprovisioned devices）。将某个“未开通配置设备”转化为网络节点的 过程称为“开通配置”（provisioning）。例如，你买了一 个带有mesh功能的蓝牙灯，你需要把它带回家并进行简 单的配置，从而将其加入到家中原有的mesh网络中，这 样你就可以通过家里的电灯开关与调光器对其进行控制 了。这一过程即为“开通配置”（provisioning）。
图 3 - 三个元素组成一个灯节点
消息
当某个节点需要获取其它节点的状态时，或需要以 某种方式控制其它节点，它会发送消息（message）。 如果某节点需要向其它节点汇报状态，它也会发送消 息。
在mesh网络中，所以通信都是以消息的形式传递 的。协议规范中定义了多种消息类型，每种消息类型都 有自己唯一的操作码。
8
Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
3.0 蓝牙mesh基础
backto contents
概念及术语
要认识蓝牙mesh技术，需要读者了解一些新的技术 概念与术语，这些在之前蓝牙低功耗（BLE）的世界里是 没有的。本章我们将带你认识一些最基本的概念及术语。
现在你可以开始办公了，并且整个办公环境考虑到了个 人偏好，充分满足了你的需求。很显然这种这种系统是十分高 效的，那么它是如何实现的呢？
你们公司几个月前使用了蓝牙mesh技术，最开始安装在照 明系统上，随后添加到Occupancy sensor，环境传感器，无线 暖气控制系统，停车管理系统等网络中。这样，公司可以在 电力和热力系统上省上不少费用，而且工作环境更加人性 化，从而使员工的工作效率更高。整个系统的维护成本也 在下降，例如加入电灯开关不再需要布置昂贵且麻烦的电 线了。系统采集的数据可以供大楼管理人员分析，从而了 解这栋建筑，以及它所提供的服务和人们对这些服务做出 的反应，进而对整个系统进行优化。
我们可以控制某栋建筑提供的服务，与其进行无线交 互，使其行为更加自动化，而蓝牙mesh正使这一切更加 方便且低成本。你甚至会感到惊讶之前没有这些技术是怎 么生活的。
图 1 - 蓝牙mesh可以分布于办公室和停车处
（译者注： Occupancy sensor，一种室内运动检测 设备，检测到人体时会自动打开灯，温度调节装置及通 风系统。这种传感器多使用红外，超声，微波等技术， 主要用来节省能量，提供自动控制。）
1. 消息发布与传递
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2. 多路径传递
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3. 管理型网络泛洪
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4. 协议栈中消息的传递
25
7.0 蓝牙Mesh — 正待勇士开拓的疆场 . . . . . . . . . . . . . . 27
7.1 参考资料
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© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
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Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
3.1 概念和术语
9
3.2 mesh 与 点 对 点
9
3.3 设备与节点
9
3.4 元素
10
3.5 消息
10
3.6 地址
10
3.7 发布/订阅
11
3.8 状态和属性
11
3.9 消息,状态及属性
12
3.10 状态转变
12
3.11 绑定状态
12
3.12 模型
13
3.13 通用性
13
3.14 情景
13
3.15 开通配置
Mesh网络中的每个节点都拥有至少一个NetKey，正 是这个NetKey让其成为相应网络的一员。节点的正常工作 需要满足许多条件，而NetKey则是最基本的第一步工作。 随后我们会对“开通配置”的过程展开深入的讨论，在此 不再赘述。
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
进入公司大楼后，相应的传感器注意到有人进入，并 从你身上的可穿戴设备如手表等识别到你。你乘坐电梯到 达二楼，像往常一样，你是第一个到达的。当电梯门打开 时，从电梯室到办公室及开水间的灯自动打开。咖啡在你 们公司是非常重要的，所以开水室的灯才会自动打开，其 它区域的灯关闭，从而节省能量。
你走进办公室，屋顶灯和台灯已经打开了，并且是你最喜 欢的亮度等级。你注意到办公室温度比其它区域温度略高， 这正是你之前设置的。你靠近办公电脑，此时电脑自动登 陆你的账户。
（译者注：蓝牙特别兴趣小组 The Bluetooth Special Interest Group (SIG)，是一个非盈利性组织，致力于蓝牙 技术标准的开发，和蓝牙技术应用及商标的授权。公司成 立于1998年，总部位于美国华盛顿。）
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
mesh vs 点对点
我们所见到的大多数BLE设备都是进行一对一的数据 通信的。这是一种点对点的网络拓扑类型，在蓝牙核心规 范中被称为“微微网”（piconet）。
假设一个智能手机与一个心率检测器建立了一个点对 点的连接，这样它们之间就可以传输数据了。蓝牙的一个 优点就是可以让设备建立多个连接，所以这台智能手机可 以再与另一个运动追踪设备建立连接。此时，手机可以同 另外两台设备进行通信，而这两台设备之间无法直接进行 沟通。
2.0 执掌生活
backto contents
智能建筑将获得真正的智能
想象一下，在一个天色昏暗的冬日的早晨，你驱车前 往公司。公司的安全系统识别了你的车，让你进入公司， 同时分配给你一个停车位。此时，你的停车位上的灯亮 起，指引你快速停到那个位置。之后，这个车位分配系统 将自动进行更新，显示该车位已使用。
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary.
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Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers
3.0 蓝牙mesh基础
backto contents
© 2017 Bluetooth SIG Proprietary
1. Mesh 网络安全特性具有强制性
21
2. Mesh 网络安全性基本原则
21
3. 关注点分离与mesh安全密钥
21
4. 节点移除，密钥刷新及垃圾桶攻击
22
5. 隐私
22
6. 重放攻击
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6.0 蓝牙mesh在行动. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2 承载层
18
4.3 网络层
18ห้องสมุดไป่ตู้
4.4 底层传输层
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4.5 上层传输层
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4.6 接入层
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4.7 基础模型
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